新型全鋼扣件的模具設(shè)計(jì)

李鵬博　李河宗　黃素霞

摘? 要：扣件作為腳手架支撐系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要保證，對(duì)施工人員的安全和施工設(shè)備的使用壽命起著至關(guān)重要的作用。針對(duì)傳統(tǒng)鑄鐵扣件剛性差、韌性低、抗滑性差，以及生產(chǎn)過(guò)程環(huán)境污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種新型輕型全鋼扣件，并對(duì)其進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，給出了扣件中典型零件的一整套成形模具設(shè)計(jì)方案，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特性，確定了成形工藝，采用彎曲沖壓模具生產(chǎn)。較傳統(tǒng)鑄造工藝生產(chǎn)，沖壓模具生產(chǎn)可顯著提高生產(chǎn)效率，并且生產(chǎn)過(guò)程中綠色無(wú)污染。為類(lèi)似的沖壓零件在彎曲模設(shè)計(jì)方面提供了一種新思路。

關(guān)鍵詞：新型全鋼扣件;成形工藝;沖壓彎曲模具

中圖分類(lèi)號(hào)：TG382? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）34-0022-03

Abstract： As an important guarantee for the stability of scaffolding support system， fastener plays an important role in the safety of construction personnel and the service life of construction equipment. In view of the shortcomings of traditional cast iron fasteners， such as poor rigidity， low toughness， poor skid resistance and serious environmental pollution in the production process， a new type of light and new all-steel fastener is designed and developed， and its die is designed. A set of forming die design scheme for typical parts in fastener is given. According to its structural characteristics， the forming process is determined and produced by bending stamping die. Compared with the traditional casting process， stamping die production can significantly improve the production efficiency， and the production process is green and pollution-free. A new idea is provided for the design of bending die for similar stamping parts.

Keywords： new all-steel fastener; forming process; stamping bending die

引言

隨著建筑行業(yè)的高速發(fā)展，扣件行業(yè)也在朝著生產(chǎn)效率高以及節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。傳統(tǒng)扣件生產(chǎn)效率低，污染大，并且本身的抗滑性能較差[1-3]。故設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了新型全鋼扣件，改進(jìn)生產(chǎn)工藝，減少環(huán)境污染。較傳統(tǒng)鑄造扣件的生產(chǎn)工藝，對(duì)新型全鋼扣件采用沖壓工藝生產(chǎn)，不僅提高其生產(chǎn)效率，而且操作簡(jiǎn)便，并能實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)，更有效的保證零件精度[4]。同時(shí)沖壓工藝廢料較少，塑性成形會(huì)產(chǎn)生硬化效應(yīng)，進(jìn)一步提高了扣件的強(qiáng)度和剛度。基于上述分析，開(kāi)發(fā)了一套新型全鋼扣件的成形模具，設(shè)計(jì)了生產(chǎn)工藝，采用沖壓生產(chǎn)，提高了扣件剛性、韌性、抗滑移性能以及抗破壞性。新型全鋼扣件示意圖如圖1所示。

1 工藝分析

該新型全鋼扣件看似結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)其各個(gè)零件應(yīng)逐個(gè)生產(chǎn)，并最后裝配到一起?，F(xiàn)選取扣件中的典型零件（見(jiàn)圖2）為參考，進(jìn)行工藝分析和模具設(shè)計(jì)，該零件直徑為7mm，材料為Q235，是一種普通碳素鋼，其抗剪強(qiáng)度為310-380MPa，伸長(zhǎng)率為21%-25%，具有較高的塑性，適合進(jìn)行沖壓加工[5]。

考慮到該零件的空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，很難采用連續(xù)模和復(fù)合模生產(chǎn)，因此選擇了相對(duì)簡(jiǎn)單的單工序模具。又因?yàn)閱喂ば蚰＞哌x擇分為三種：（1）無(wú)導(dǎo)向單工序模具，其特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕、模具制造相對(duì)容易、成本低廉。但模具壽命低，精度差，操作也不安全。（2）導(dǎo)板式簡(jiǎn)單模，其特點(diǎn)為精度高、壽命長(zhǎng)，但制造比較麻煩。（3）導(dǎo)柱式簡(jiǎn)單模，其特點(diǎn)為模具準(zhǔn)確可靠，能保證沖裁間隙的均勻，沖裁的工件精度較高、模具的使用壽命長(zhǎng)，而且沖床上安裝使用方便，適合大批量生產(chǎn)。故綜合考慮下，該零件生產(chǎn)模具采用導(dǎo)柱式單工序模。從成形工藝分析，工件采用普通彎曲，完成工件的基本工序包含切斷和彎曲等工序。

分析零件形狀及尺寸，決定該零件分為四個(gè)工序成形，首先切斷出符合計(jì)算長(zhǎng)度尺寸的坯料，然后分為三步彎曲成形，成形工序如圖3所示。故該零件的成形需要四套單工序模具，分別為切斷模以及三套彎曲工序模。這種方案優(yōu)點(diǎn)是模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易操作，對(duì)工人要求較低。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程

2.1 基于Pro/E的坯料長(zhǎng)度計(jì)算

當(dāng)彎曲模具彎曲坯料時(shí)，會(huì)促使坯料中性層發(fā)生變形，一般是向內(nèi)偏移，也就是向彎曲壓縮方向偏移，但偏移量很難確定，因此該論文中仍按照應(yīng)變中性層（中心線）長(zhǎng)度確定坯料長(zhǎng)度尺寸，并在Pro/E環(huán)境中完成。

在Pro/E中將三圍模型展開(kāi)，可以得到其彎曲部分計(jì)算公式為：

式中L為坯料展開(kāi)長(zhǎng)度;R為彎曲內(nèi)側(cè)半徑;T為材料厚度（或直徑）;θ為折彎角度;K為位移系數(shù)，在Por/E中系統(tǒng)的默認(rèn)值為0.318310。

非彎曲變形區(qū)長(zhǎng)度仍按照零件原始長(zhǎng)度計(jì)算。

根據(jù)零件的具體尺寸參數(shù)，可得坯料的展開(kāi)長(zhǎng)度為266mm。

2.2 切斷力

切斷力計(jì)算公式為：

式中：L為剪斷面面積，τb為材料抗剪強(qiáng)度，

查材料力學(xué)性能：τb=300MPa [5]

故Fb=41.563kN

2.3 彎曲力計(jì)算

采用自由彎曲方式進(jìn)行彎曲，其彎曲力計(jì)算公式為：

式中：K為安全系數(shù)一般取K=1.3;S為彎曲件截面面積;t為彎曲件材料厚度;R為彎曲半徑;？滓b為材料抗拉強(qiáng)度。

故第二道彎曲工序彎曲為：

第三道彎曲工序彎曲力為：

第四道彎曲工序彎曲力為：

2.4 卸料力

取F卸=0.5F自得

第二道工序卸料力：

第三道工序卸料力：

第四道工序卸料力：

2.5 凸凹模間隙

凸凹模間隙作為影響模具壽命的重要指標(biāo)之一。如果間隙過(guò)大，可能會(huì)使坯料產(chǎn)生斷裂，使表面粗糙，形成較多廢料，如果間隙過(guò)小，會(huì)使模具的壽命降低。凸凹模的間隙和材料的屬性、厚度和工件的外形都有關(guān)系，綜合考慮，其凸凹模的間隙值為t×1%=0.07。

3 模具設(shè)計(jì)方案

3.1 切斷模具設(shè)計(jì)

圖4為坯料切斷模。切斷模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，方便操作，有利于提高生產(chǎn)，為了提高生產(chǎn)效率，用一次剪切九個(gè)件的方式。剪切時(shí)，兩相鄰剪切件之間要有一定的厚度，以滿(mǎn)足強(qiáng)度的要求，兩相鄰零件間取15.4mm，采用后側(cè)導(dǎo)柱模架。其工作過(guò)程為：線材從右向左送進(jìn)模具，通過(guò)承料塊、凹模進(jìn)行導(dǎo)料，擋料塊控制線材的送進(jìn)距離，上模向下運(yùn)動(dòng)，線材被切斷，承料塊壓縮彈簧對(duì)線材毛坯進(jìn)行承載，上模向上運(yùn)動(dòng)，彈簧回復(fù)原狀，坯料仍能沿其溝槽送入，當(dāng)上?；氐匠跏嘉恢?，人工取下零件。

3.2 預(yù)彎模具設(shè)計(jì)

圖5為預(yù)彎模具圖。預(yù)彎模具設(shè)計(jì)的目的是為了保證U形零件彎曲前，將坯料兩端彎出相應(yīng)對(duì)的角度，便于U形件加工后，人工彎成梯形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)最后折彎。

3.3 U形彎曲模具設(shè)計(jì)

圖6為U形彎曲模具圖。為使模具工作過(guò)程保持平穩(wěn)，模架在壓力機(jī)上固定時(shí)，必須保證沖模的壓力中心通過(guò)模柄中心并與滑塊的中心線重合。否則，將導(dǎo)致零部件之間發(fā)生磨損碰撞，降低模具的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生工作事故。因此，模架在安裝時(shí)，必須首先確定壓力中心。該線材坯料形狀對(duì)稱(chēng)，故壓力中心在線材中性層的中間位置。

切斷好的線材放進(jìn)模具時(shí)，采用凹模中的導(dǎo)料塊的孔徑和溝槽進(jìn)行定位。值得注意的是，其孔徑和溝槽的尺寸應(yīng)大于線材直徑，以使線材順利放入。為了使凸模恰好作用在線材的壓力中心上，在模具送料方向上設(shè)計(jì)擋塊進(jìn)行擋料。因?yàn)榱慵榇笈可a(chǎn)，為了提高生產(chǎn)效率，采用一次彎曲成形九個(gè)零件的方式。

3.4 壓彎模具設(shè)計(jì)

圖7為壓彎模具圖。壓彎模具設(shè)計(jì)的目的是為了把端口彎曲成形后的梯形件進(jìn)行壓彎，由于彎曲的角度以及下小上大的開(kāi)口形式，故可以直接壓彎成形。

4 結(jié)束語(yǔ)

選取新型全鋼扣件中典型零件，考慮沖壓件強(qiáng)度大，加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生硬化，能夠提高扣件的硬度，有利于產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用的作用，以及扣件的整體結(jié)構(gòu)，故決定采取沖壓生產(chǎn)工藝。設(shè)計(jì)了扣件生產(chǎn)模具，并通過(guò)三維建模軟件Pro/E建立了模具模型，較傳統(tǒng)鑄造工藝，提高了生產(chǎn)效率，在生產(chǎn)中更為環(huán)保。

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